[发明专利]基于硅光子集成芯片的CVQKD系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分发；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，并进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上。本发明还公开了一种所述基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法。本发明显著提高了芯片器件的集成密度，压缩了器件体积，节约了大量的制作成本，使量子网络更加简易。

技术领域

本发明具体涉及一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统及方法。

背景技术

如今传统的半导体工业已经受限于物理极限，依靠缩小特征尺寸来提高芯片集成度的方法即将失效。而硅光子技术以其在耗能、带宽、运行速率、散热、体积尺寸等方面拥有的特殊优势，成为了延长摩尔定律寿命的潜在技术之一。硅光子集成芯片是利用硅光子技术在兼容CMOS工艺的基础上，把具有各种功能的光电子器件集成在同一硅衬底上的新型集成芯片。

量子密钥分发(QKD)是量子信息学的重要组成部分，是以量子信道传送编码态并获取安全密钥的过程。量子力学中的基本原理保证了QKD在理论上的无条件安全，同时QKD也被认为是现阶段最成熟的一种量子信息处理技术。量子密钥分发一般可分为离散量子密钥分发(DVQKD)和连续量子密钥分发(CVQKD)两种形式。与DVQKD不同，CVQKD使用零拍探测器，探测效率高且制作成本低廉，能间接减少强光致盲攻击等与单光子探测器相关的侧信道攻击。此外，CVQKD的光源制备也相对简单，使用的是最简单的相干态光。更为突出的一点是，CVQKD能与现代的光通信系统兼容，易于实验操作和测试且成本较低。近年来，随着其完整的协议安全性被成功证明，学术界又重新加大了对它的研究投入。如今CVQKD系统最远传输距离也被实验验证达到了80公里，并在25公里距离下获得了不低于bb84协议系统的安全密钥生成率。

近两年有部分学者在硅基光子平台上构建了QKD系统，但是大部分研究的硅光子集成芯片集成的皆是针对集成的DVQKD系统，芯片集成度较低，安全密钥生成率不高，当前国际上缺乏对硅基芯片集成的CVQKD系统的研究；同时现有的基于硅光子技术的QKD芯片尺寸体积大，成本高，系统稳定性不足。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，该系统通过硅光子集成技术将光子器件集成在同一片硅光子集成芯片上，使CVQKD系统更加稳定。

本发明的目的之二在于提供一种所述基于硅光子集成芯片的CVQKD系统的方法。

本发明提供的这种基于硅光子集成芯片的CVQKD系统，包括光源处理部分、量子密钥发射端、光纤信道和量子密钥接收端；光源处理部分将光源发出的信号耦合处理后分为信号光和本振光，信号光发送到量子密钥发射端，本振光发送到量子密钥接收端，同时量子密钥发射端将信号处理后通过光纤信道将信号发送到量子密钥接收端；量子密钥发射端将信号光进行调制并过滤，解调并采样之后生成高斯密钥，高斯密钥通过耦合后经过光纤信道发射到量子密钥接收端；量子密钥接收端对光纤信道输出的光信号进行处理，同时将调制后的本振光进行零差检测；量子密钥发射端和量子密钥输出端均利用硅光子集成技术集成在同一片硅基光子芯片上。

所述的光源处理部分包括光源、锥形耦合器和第一分束器；光源连接锥形耦合器的输入端，锥形耦合器的输出端连接第一分束器的输入端，第一分束器的输出端分别连接量子密钥发射端和量子密钥接收端；光源输出连续光波；连续光波通过锥形耦合器进行耦合；耦合后的连续光波再通过第一分束器以1:99分成两束，其中1％的一束的为信号光，99％的一束为本振光，且信号光输出到量子密钥发射端，本振光输出到量子密钥接收端。